KAIST, 광신호 위상·스펙트럼 동시 제어 소자 개발… 광집적회로 성능 확장

이중 도파로 공진기 구조 제안… AI 가속기·광통신 적용 가능성

데이터 처리 기술이 전자 기반에서 광(빛) 기반으로 이동하면서, 빛을 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는지가 핵심 기술로 부상하고 있다. 특히 인공지능과 데이터센터, 양자통신 분야에서는 고속·저전력 처리를 위해 광집적회로(PIC)의 역할이 확대되고 있다. KAIST 전기및전자공학부 김상식 교수 연구팀은 한양대 윤재웅 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 광신호의 위상과 스펙트럼을 동시에 제어할 수 있는 ‘이중 도파로 공진기’ 구조를 개발했다. 이번 연구는 광신호 제어의 구조적 한계를 확장했다는 점에서 의미가 있다.

광집적회로는 빛을 이용해 데이터를 처리하는 기술로, 기존 전자회로 대비 속도와 전력 효율 측면에서 장점을 가진다. 그러나 핵심 부품인 공진기는 빛의 위상과 스펙트럼을 독립적으로 정밀 제어하는 데 한계가 있었다. 이는 고성능 광통신과 광컴퓨팅 구현의 제약으로 작용해 왔다. 연구팀은 기존 단일 도파로 구조 대신 ‘이중 도파로(dual-bus)’ 구조를 도입했다. 이 구조는 공진기를 통과한 빛과 통과하지 않은 빛을 다시 결합해 간섭을 정밀하게 조절하는 방식이다. 이를 통해 광신호의 스펙트럼 형태와 위상 응답을 보다 유연하게 설계할 수 있게 됐다. 이번 기술의 핵심은 단순 제어가 아니라 ‘설계’다. 연구팀은 공진기의 광학적 특성을 분석해, 기존 임계 결합 조건과 다른 새로운 신호 전달 특성을 규명했다. 이를 통해 비선형 주파수 변환 효율을 높이고, 다양한 형태의 광신호를 구현할 수 있는 기반을 확보했다.

이 기술은 실제 응용 가능성도 제시한다. 광신호를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 되면서, 데이터 처리 속도 향상과 전력 소모 감소를 동시에 달성할 수 있다. 이는 AI 가속기와 초고속 데이터센터, 양자통신 시스템의 성능 개선으로 이어질 수 있다. 이번 연구에는 KAIST 김태원 학부생이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 Laser & Photonics Reviews에 게재됐다. 김상식 교수는 이번 연구가 기존에 간과됐던 광학적 특성을 정밀 분석해 물리적 한계를 확장한 사례라고 설명했다. 데이터 처리 기술은 전자에서 광으로 이동하는 전환기에 있다. 이번 연구는 그 과정에서 핵심이 되는 ‘빛 제어’ 기술의 가능성을 확장한 사례로 평가된다.

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